Quan trắc địa kỹ thuật trong côn trình ngầm

QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT TRONG CÔNG TRÌNH NGẦM TH.S. ĐINH LÊ KHÁNH QUỐC Tổng Công ty Xây dựng số 1 - Bộ Xây dựng 1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA VIỆC QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT: Quan trắc đòa kỹ thuật có ý nghóa quan trọng trong việc thi công các công trình ngầm là các công trình rất “nhạy cảm” với sự thay đổi các tính chất cơ lý, thuỷ văn của nền đất nơi đặt công trình xây dựng. Hiểu rõ và nắm chắt quy luật thay đổi tính chất cơ lý, thuỷ văn của nền đất nơi xây dựng công trình là cần thiết trước khi khởi công thi công công trình, là một trong các yếu tố đảm bảo việc thi công thành công công trình. Quan trắc đòa kỹ thuật để điều tra, khảo sát mô tả các điều kiện hiện trường ban đầu. Các thông số thường được quan tâm là áp lực nước lỗ rỗng, tính thấm của đất, ổn đònh mái dốc Quan trắc để kiểm chứng các giả đònh của thiết kế, để điều chỉnh thiết kế Quan trắc để kiểm tra, giám sát các ảnh hưởng của thi công, các số liệu quan trắc có thể giúp cho kỹ sư có các quyết đònh đúng trong thi công mà không gặp sự cố Quan trắc có thể để kiểm tra chất lượng thi công, cảnh báo sớm các sự cố có thể xảy ra, điều này giúp người kỹ sư có các quyết đònh kòp thời hoặc sơ tán an toàn các khu vực nguy cơ hoặc xử lý gia cố các khu vực nguy cơ đảm bảo an toàn lao động Quan trắc có thể cung cấp các bằng chứng về pháp lý trong các tình huống xãy ra tranh chấp giữa nhà thầu thiết kế, nhà thầu thi công, chủ đầu tư, dân cư xung quanh công trình… 2. MỘT SỐ THIẾT BỊ QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT HIỆN ĐANG ĐƯC SỬ DỤNG: Tại Việt Nam hiện nay thiết bò quan trắc đòa kỹ thuật chủ yếu được cung cấp bởi các hãng: Slope indicator company USA, GEOKON USA, GTC Engineering Co., Ltd Hàn Quốc… Trong phạm vi bài báo này chỉ giới thiệu một số thiết bò đo thông dụng: + Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng. + Đầu đo nghiêng. 3. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CỦA CƠ HỌC ĐẤT CƠ SỞ. 3.1. Đất: đất được cấu thành từ các hạt khoáng vật, các hạt khoáng vật này không chặt khít với nhau mà có khoảng hở, lấp đầy các khoảng hở này là nước và không khí. Nước và không khí trong các lỗ rỗng này được gọi là nước lỗ rỗng và khí lỗ rỗng Đất mà có nước lấp đầy các lỗ rỗng gọi là đất bão hoà 3.2. Ứng suất tổng  : áp lực lên đất gồm trọng lượng đất và tải trọng ngoài (do công trình đặt lên đất). Ứng suất phát sinh trong đất do trọng lượng bản thân đất và tải trọng ngoài gọi là Ứng suất tổng. 3.3. Ứng suất hiệu quả  ’: ứng suất phát sinh do các hạt đất đè tiếp xúc lên nhau gọi là ứng suất hiệu quả. 3.4. Áp lực nước lỗ rỗng u: áp lực nước trong các lỗ rỗng gọi là áp lực nước lỗ rỗng 3.5. Mối liên quan giữa  ’,  , u: Các ứng suất này liên quan với nhau bằng biểu thức: u  ' Trong đó:  ’ : Ứng suất hiệu quả  ’ : Ứng suất tổng u : Áp lực nước lỗ rỗng Biểu thức thể hiện khi áp lực nước lỗ rỗng tăng thì ứng suất hiệu quả giảm và ngược lại. 3.6. Cố kết của đất: Khi có tải trọng ngoài đặt vào nền đất Nếu là đất khô, không có nước trong lỗ rỗng thì tải trọng truyền vào các hạt đất đẩy chúng xích lại gần nhau (xem như khí trong lỗ rỗng là tiêu tán tức thì). Nếu là đất bão hoà nước thì một phần áp lực do nước trong lỗ rỗng chòu (áp lực nước lỗ rỗng), một phần áp lực do hạt đất chòu (áp lực hiệu quả). Như vậy ban đầu thì áp lực nước lỗ rỗng tăng lên sau đó tiêu tán dần do nước dòch chuyển từ nơi có áp lực cao đến nơi có áp lực thấp, khi nước dòch chuyển quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng sẽ chuyển sang áp lực lên các hạt đất, ứng suất hiệu quả tăng lên, các hạt đất xích lại gần nhau, đất lún xuống 3.7. Sức chống cắt của đất: Sức chống cắt của đất là một đơn vò đo lường sức kháng trượt bên trong của đất.  tan '  c Trong đó:  : Ứng suất cắt lúc phá hũy  ’ : Ứng suất hiệu quả  : Góc ma sát trong (xác đònh từ phân tích mẫu trong phòng TN) c : Lực dính của đất (xác đònh từ phân tích mẫu trong phòng TN) Lưu ý u  ' nên áp lực nước lỗ rỗng nghòch với sức chống cắt, khi áp lực nước lỗ rỗng tăng, ứng suất hiệu quả và sức chống cắt giảm. Ứng suất tổng  tính toán được khi biết độ chặt, dung trọng của đất, cao trình mực nước ngầm. Và cũng có thể đo được bằng thiết bò đo áp lực tổng tại hiện trường.  Khi biết  và u ta tính được  , do vậy đo được  , u thì các trò số này là các nhân tố dự đoán về ổn đònh của đất nền. 4. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ LẮP ĐẶT THIẾT BỊ QUAN TRẮC 4.1. Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng: Đầu đo áp lực nước dây rung VWP của hãng Slope Indicator là một máy biến năng áp lực có thể gắn trong một lỗ khoan hay trong đất đắp. Cơ chế đo của nó bao gồm một dây thép đã kéo căng, một màng ngăn và một cuộn dây điện từ. Một đầu của sợi dây thép được nối với màng ngăn. Áp lực làm màng ngăn cong xuống, giảm sức căng trong sợi dây. Cuôn dây từ được sử dụng để “kéo dật” sợi dây làm nó rung. Sự rung của sợi dây gần cuộn dây từ gây ra một tín hiệu tần số. Tín hiệu này được chuyển qua một cáp tín hiệu tới thiết bò thu số liệu. a. Thiết bò ghi - đo Sử dụng thiết bò thu số liệu DataMate của hãng Slope Indicator, máy sẽ thu thập tần số (Hz) của đầu đo tại các thời điểm khác nhau, thông qua phần mềm chuyên dụng các tín hiệu tần số này sẽ được chuyển đổi sang các đơn vò áp lực hay cột nước. + Đầu đo áp lực nước lỗ rỗng VWP, Slope Indicator, USA; + VS DataMate, Slope Indicator, USA. + Cáp điều khiển, máy tính và các thiết bò phụ trợ khác. b. Lắp đặt thiết bò - Lắp đặt trong hố khoan: Kiểm tra độ sâu hố khoan sử dụng một thước đo nặng. Dùng thước màu để đánh dấu các độ sâu dự kiến trên ống hoặc cáp. Điều này sẽ cho biết khi Piezometer được đặt đúng vò trí tại độ sâu thích hợp. Đặt trong hố khoan một thước đo khác đánh dấu trên ống hay cáp để cho biết chiều cao của ống vách lên trên mặt đất. - Bỏ nắp bòt chống bẩn ở đầu đo trước khi lắp đặt. - Các đầu đo đôi khi được đặt trong các túi bọc cát. Các túi bọc cát giữ đầu đọc ở giữa hố khoan và hoạt động như một lớp lọc bằng cát. Cát cần được đổ thêm xung quanh túi trước khi đổ lớp Bentonite. - Sét Bentonite phải được để bên trên đầu đo. Lớp này cô lập áp lực nước lỗ rỗng tại đầu đo và ngăn vữa chui vào cát xung quanh đầu đo và chặn nước lọt vào. Phải đảm bảo cấp đủ nước và thời gian để Bentonite trương nở. Theo đúng các chỉ dẫn của nhà sản xuất set Bentonite. - Phần còn lại của hố khoan được lấp lại bằng Bentonite hay vữa xi măng Bentonite để ngăn chặn sự xâm nhập của nước qua hố khoan. Cường độ của vữa phải tng thích với cường độ của đất xung quanh. - Nếu ống chống được sử dụng để giữ hố khoan mở. Ống phải được kéo lên khi cát đã được đổ quanh đầu đo. - Ống chống cũng phải được kéo lên từ từ ngay trên các hạt Bentonite đang lắng xuống. - Sự lắp đặt chưa hoàn thành cho đến khi được kiểm tra và những số đọc đầu tiên được lấy. Vì đất và nước lỗ rỗng bò xáo động trong quá trình lắp đặt nên cần phải lấy một loạt các số đọc để xác đònh khi nào đất “hồi phục” và có thể lấy số đọc ổn đònh (lặp lại). Trong đất không thấm nước điều này có thể kéo dài. - Bòt đường ống hoặc cáp để ngăn nước vào. Xây miệng hố khoan và đặt hộp bảo vệ. Ghi số đọc ban đầu rồi bàn giao cho khách hàng. Grout Junction Box Grout Pump and Mixer Betonite Pellets or Chips Bentonite Pellets or Chips Pneumatic Tubing Coarse grain sand Tremie Pipe Piezometer 4.2. Đầu đo chuyển vò ngang: 4.2.1 Ống vách của đầu đo nghiêng Ống vách của đầu đo nghiêng là một ống đã tạo rãnh sẵn sản xuất cho mục đích đặc biệt được sử dụng khi lắp đặt. Nó thực hiện ba chức năng: - Dẫn hướng cho đầu dò của đập đo nghiêng, cho phép nó thu các số đo sát mặt đất; - Biến dạng với mặt đất hoặc công trình xung quanh; do đó các số đo nghiêng của vách ống vách biểu thò một cách chính xác các dòch chuyển của nền. - Các rãnh tạo sẵn bên trong khống chế hướng của đầu đo nghiêng có bánh xe. Ống vách được lắp đặt trong một hố khoan gần như thẳng đứng đã được khoan qua các khu vực nghi ngờ có dòch chuyển. Ống vách cũng có thể được đặt trong bờ đắp, bên trong bê tông hoặc được gắn vào các công trình. Vò trí ban đầu của ống vách được thiết lập khi khảo sát cùng với đầu dò đo nghiêng. Dòch chuyển của mặt đất làm cho ống vách dòch chuyển khỏi vò trí ban đầu của nó. Tốc độ, độ sâu và độ lớn của dòch chuyển này được tính toán bằng cách so sánh số liệu khảo sát ban đầu với các số liệu khảo sát sau đó. a. Đầu dò đo nghiêng Đầu dò đo nghiêng có bánh xe chạy theo các rãnh dọc trong ống vách. Nó bao gồm hai tốc kế đã cân bằng lực. Một tốc kế đo độ nghiêng trong mặt phẳng của các bánh xe đầu đo nghiêng. Mặt phẳng này được gọi là trục A. Tốc kế kia đo độ nghiêng trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng của các bánh xe. Mặt phẳng này được gọi là trục B. Các số đọc nghiêng thường thu được ở các khoảng cách đều đặn 2m khi đầu dò được kéo từ đáy lên đỉnh của ống vách. Các khoảng cách 2 feet được dùng cho các đầu dò của Anh. b. Cáp điều khiển Cáp điều khiển được sử dụng để kiểm tra độ sâu của đầu dò đầu đo nghiêng. Nó cũng dẫn điện và các tín hiệu giữa đầu dò và bộ phận thu. Các dây cáp điểu khiển (theo đơn vò mét) được đánh dấu đều đặn 0,5m một. Các dây cáp điều khiển (theo đơn vò Anh) được đánh dấu đều đặn 1 foot một. c. Bộ hiển thò số liệu Digitilt Bộ hiển thò số đo nghiêng nhận được từ đầu dò đầu đo nghiêng. Các thiết bò thu số liệu tình vi như Digitilt Date Mate lưu giữ các số đọc trong bộ nhớ, loại trừ nhu cầu ghi các số đọc với bút chì và giấy. d. Đo nghiêng Đầu dò đầu đo nghiêng và cảm biên đặt tại chỗ đo độ nghiêng của ống vách. Với đầu dò, các số đo nghiêng thường được lấy ở các cự ly để đặn 1/2m hoặc 2 feet từ đáy lên đỉnh của ống vách. Các cảm biến đặt tại chỗ được lắp đặt tại các vò trí cố đònh trong ống vách tại các khoảng cách đều đặn hoặc lớn hơn. Trong cả hai trường hợp, số đọc nghiêng quan hệ với độ sâu hoặc cao độ. e. Độ lệch ngang Khi các số đọc của đầu đo nghiêng được xử lý, độ nghiêng được chuyển đổi sang một khoảng cách theo chiều ngang như hình vẽ dưới đây. Độ lệch tại mỗi khoảng cách được gọi là độ lệch khoảng cách tăng dần. Tổng các độ lệch khoảng cách được gọi là tổng độ lệch cho thấy độ nghiêng của ống vách. Các độ lệch cho thấy vò trí của ống vách. Đồ thò của tổng độ lệch cho thấy đo nghiêng của ống vách. Measurement Interval(L) Inclinometer Casing  Angle Inclinometion  vertical Lateral Deviation (L Sin ) Incremental Deviation Cumulative Deviation  Cumulative Deviation L Inclinometer Casing L L   f. Dòch chuyển ngang Dòch chuyển biểu thò một sự thay đổi vì trí của ống vách, tức là một sự thay đổi độ lệch. Dòch chuyển được tính bằng cách lấy độ lệch hiện tại trừ đi độ lệch ban đầu. Độ lệch khoảng cách là sự thay đổi tại một khoảng cách. Tổng dòch chuyển là tổng của các dòch chuyển khoảng cách. Trong đồ thò dưới đây, các dòch chuyển được tham khảo so sánh với một điểm cố đònh gần đáy của ống vách. Khi đáy của ống vách không ổn đònh trong đất, các dòch chyển được so sánh với đỉnh của ống vách đã được khảo sát. Cumulative Displacement, A-Axis 0 10 20 30 40 50 60 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Displacement in inches (Initial 11/19/91) Depth in Feet 2/4/92 3/20/92 4/16/92 8/11/92 1/26/93 3/23/93 5/18/93 Brown Brown Clay Clay Light Green Clay Clay Soft Gray Silty Sand and Gravel Displacement vs Time 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 100 200 300 400 500 600 Days (Initial 11/19/91) Displacement in Inches 26-28 ft 28-34 ft 4.2.2 Thiết bò - Ống vách của đầu đo nghiêng, 76 mm, L = 3m, Slope Instrument, USA; - Đầu dò đầu đo nghiêng, Slope Instrument, USD; - Inclinometer logger, Model 1022, Slope Instrument, USD 4.2.3 Lắp đặt ống vách đầu đo nghiêng a. Các lưu ý chung - Đường kính ống vách ảnh hưởng tới tuổi thọ lắp đặt. Dòch chuyển mặt đất làm cho ống vách biến dạng và cản trở đầu đò chuyển động trong ống vách. Ống vách đường kính lớn hơn cho phép dòch chuyển dất lớn hơn và tạo đường vào dài hơn so vói ống vách đường kính nhỏ hơn. Luôn sử dụng ống vách đường kính lớn nhất mà thiết bò khoan và cỡ lỗ khoan có thể thích ứng được. - Các vật liệu làm ống vách cũng ảnh hưởng tới tuổi thọ lắp đặt. Ống vách làm bằng nhựa ABS là phù hợp cho việc tiếp xúc lâu dài với tất cả các loại đất, vữa và nước ngầm. Nó không bò ăn mòn và thích ứng với các dòch chuyển của đất. Ống vách bằng nhôm có thể bò ăn mòn. Khi lắp đặt ống vách bằng nhôm cẩn thận không làm xước lớp keo epoxy bảo vệ của nó. - Một lớp bảo vệ thường được lắp đặt tại đỉnh của ống vách. Lớp bảo vệ phải đủ rộng để gắn bộ ròng rọc vào đỉnh của ống vách. Lớp bảo vệ cũng phải đònh vò dễ dàng đưa đầu dò vào ống vách khi lún xảy ra. b. Hướng ống vách - Hố khoan phải gần như thẳng đứng. Lỗi trong do nghiêng tăng theo độ nghiêng của ống vách. - Lắp đặt ống vách với một bộ rãnh hướng về phía dự kiến có dòch chuyển. Duy trì hướng thích hợp này trong quá trình lắp đặt. Cố gắng sửa lại hướng của ống vách khi đã lắp đặt sẽ làm cho ống bò vặn. c. Các ống nối - Keo ABS dùng trên các ống nối đòi hỏi 24 giờ để đạt được đầy đủ cường độ. Ống vách thường được lắp ráp và lắp đặt nhanh hơn nhiều. Trong các hố đầy nước, sự đẩy nổi giảm trọng lượng hiệu quả của ống vách do đó cường độ ít hơn được yêu cầu từ ống nối. Tuy nhiên, khi ống vách đước lắp đặt trong các hố khoan khô, ống nối phải giữ toàn bộ trọng lượng của ống vách. Trong trường hợp này, đóng chặt ống nối bằng các đinh tán. Một cáp treo gắn vào phần đáy của ống vách cũng có thể làm giảm tải trọng lên các mối nối. - Các ống nối cần được gắn lại bằng vữa. Vữa chui vào ống vách có thể gây tắc, làm rãnh dẫn hướng thiếu chính xác và làm hỏng các bánh xe của đầu dò đầu đo nghiêng. d. Đắp vữa - Vữa cần được trộn để có một cường độ tương tự như cường độ của đất. - Dung trọng của vữa tạo ra một lực đẩy nổi do đó tải trọng phụ có thể cần thiết để giữ ống vách trong hố khoan sau khi lắp đặt. Một ống thép có thể hạ xuống bên trong ông vách tựa vào nắp đáy. Một tải trọng ngoài có thể đặt vào dáy của ống vách nhưng điều này đòi hỏi một hố khoan và một cáp treo sâu hơn để ngăn trọng lượng này khỏi kéo tuột các phần mới được lắp đặt của ống vách. - Không ấn ống vách xuống bằng máy khoan vì phương pháp này có thể làm ống vách bò xoắn trong lỗ khoan. - Sau khi vữa đông cứng, thường đổ thêm vữa vào lỗ khoan trước khi lớp bảo vệ được lắp đặt. e. Lắp đặt ống vách đo nghiêng bằng ống phun vữa Protective Cover End Cap 1 2 3 4 Coupling Casing Bentonite Cement Grout Grout Pump and Mixer Water - Làm sạch dung dòch khoan và mảnh vụn trong hố khoan. Gắn nắp đậy vào phần cuối của ống vách. - Lắp đặt ống vách trong hố khoan, thêm ống vách khi cần đến khi ống vách tới độ sâu yêu cầu. Trong các hố khoan đầy nước, đổ đầy nước vào ống để chống lại sự nổi. Trong các hố khoan khô, lắp đặt ống vào vách khô. Đổ đầy nước vào ống vách để chống lại sự đẩy nổi khi bắt đầu phun vữa. Giữ mực nước cùng mực với dung dòch vữa để tránh ảnh hưởng tới các ống nối đã được gắn chặt. - Đặt một tấm thép hay một ống xuống đáy của ống vách để chống lại sự đẩy nổi trong quá trình vữa đông cứng. Sau đó thả ống phun vữa xuống đáy hố khoan và bơm vữa. - Đổ đầy vữa vào hố khoan và lắp đặt hộp bảo vệ. Ghi các số đo ban đầu rồi bàn giao cho khách hàng. 5. MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ LẮP ĐẶT CÁC THIẾT BỊ QUAN TRẮC a. Dự án Asiana Plaza tại đường Lê Duẩn - Quận 1 – Tp.HCM do tập đoàn KUMHO - Hàn Quốc làm chủ đầu tư. b. Dự án siêu thò LOTTE MART tại Quận 7 – Tp.HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO c. Cơ học đất – Roy Whitlow. d. Tài liệu chuyên ngành của hãng SLOPE INDICATOR USA. e. Tài liệu của hãng GEOKON USA. f. GTC engineering CO.LTD HÀN QUỐC. g. Hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công tầng hầm công trình ASIANA PLAZA. h. Hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công công trình LOTTE MART. . QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT TRONG CÔNG TRÌNH NGẦM TH.S. ĐINH LÊ KHÁNH QUỐC Tổng Công ty Xây dựng số 1 - Bộ Xây dựng 1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA VIỆC QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT: Quan trắc đòa kỹ. nền đất nơi xây dựng công trình là cần thiết trước khi khởi công thi công công trình, là một trong các yếu tố đảm bảo việc thi công thành công công trình. Quan trắc đòa kỹ thuật để điều tra,. nhà thầu thi công, chủ đầu tư, dân cư xung quanh công trình 2. MỘT SỐ THIẾT BỊ QUAN TRẮC ĐỊA KỸ THUẬT HIỆN ĐANG ĐƯC SỬ DỤNG: Tại Việt Nam hiện nay thiết bò quan trắc đòa kỹ thuật chủ yếu